DE3520989A1

DE3520989A1 - Electrode arrangement for RF-energized gas lasers

Info

Publication number: DE3520989A1
Application number: DE19853520989
Authority: DE
Inventors: Karl-Heinz Dipl.-Phys. Dr.-Ing. 4630 Bochum Krahn
Original assignee: KRAHN KARL HEINZ DIPL PHYS DR
Current assignee: KRAHN KARL HEINZ DIPL PHYS DR
Priority date: 1985-06-12
Filing date: 1985-06-12
Publication date: 1986-12-18

Abstract

The invention relates to an electrode arrangement for gas lasers having transverse radio-frequency energizing. It is characterised by the fact that the radio-frequency electrodes are constructed as bifilar helices. The bifilar helical structure of the radio-frequency electrodes ensures high-quality, rotationally symmetrical energizing of the laser gas and produces an improvement in the beam quality of RF-energized gas lasers. <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft eine Elektrodenanordnung für Gas-The invention relates to an electrode assembly for gas

laser nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.laser according to the preamble of claim 1.

Mit einer derartigen Elektrodenanordnung, die sich gewöhnlich außen entlang eines geeigneten Entladungsgefäßes erstreckt, können gasförmige Lasermedien zu intensiver Lasertätigkeit angeregt werden. Dabei geschieht die Anregung des Lasergases in einer transversalen Hochfrequenzentladung, ohne daß ein Kontakt zwischen den Elektroden und dem Lasergas stattfindet. Solche Elektroden sind vorteilhaft einsetzbar bei korrosiven Gasen oder Gasgemischen sowie zur Erzielung hoher Lebensdauern bei abgeschlossenen Gas füllungen. Der Bereich möglicher Frequenzen des auregenden Hochfrequenzfeldes erstreckt sich von etwa 30 kHz bis etwa 300 GHz und reicht damit von den klassischen Radiofrequenzen bis in das Mikrowellengebiet.With such an electrode arrangement, which is usually outside Gaseous laser media can extend along a suitable discharge vessel be stimulated to intense laser activity. The excitation of the laser gas takes place here in a transverse high frequency discharge without any contact between the Electrodes and the laser gas takes place. Such electrodes can be used advantageously with corrosive gases or gas mixtures and to achieve a long service life completed gas fillings. The range of possible frequencies of the exciting high frequency field extends from about 30 kHz to about 300 GHz and thus ranges from the classic Radio frequencies up to the microwave range.

Aus der Zeitschrift "Appl. Phys. Lett.", 32, 652 (1978), sowie aus der US-Patentschrift Nr. 4 169 251 vom 25. September 1979 sind Hohlleiter-Gaslaser bekannt, die mit Hilfe einer transversalen Hochfrequenzanregung (z.B. bei 21 MHz) betrieben werden. Ferner ist in der Zeitschrift "Appl. Phys. Lett.", 41, 794 (1982), ein Gaslaser ohne ausdrücklichen Hohlleitercharakter beschrieben, der ebenfalls mit einer transversalen Hochfrequenzanregung (z.B.From the journal "Appl. Phys. Lett.", 32, 652 (1978), and from U.S. Patent No. 4,169,251 issued September 25, 1979 are waveguide gas lasers known, which with the help of a transverse high frequency excitation (e.g. at 21 MHz) operate. Furthermore, in the journal "Appl. Phys. Lett.", 41, 794 (1982), described a gas laser without an express waveguide character, which also with a transverse high frequency excitation (e.g.

bei 200 MHz), jedoch bei höheren Gasdrücken sowie erstmalig in einem zylindrischen Entladungsgefäß betrieben wird.at 200 MHz), but at higher gas pressures and for the first time in one cylindrical discharge vessel is operated.

Schließlich ist in der Zeitschrift "Appl. Phys. Lett.11, 46, 321 (1985), ein Gaslaser in Streifenleitertechnik bekanntgeworden, der mit einer transversalen Hochfrequenzanregung speziell im Mikrowellenbereich (z.B. bei 1,3 GHz) betrieben wird.Finally, in the journal "Appl. Phys. Lett. 11, 46, 321 (1985), a gas laser in stripline technology has become known, the one with a transverse High-frequency excitation operated specifically in the microwave range (e.g. at 1.3 GHz) will.

Für alle bisher veröffentlichten Gas laser mit transversaler Hochfrequenzanregung gilt, daß die außen am Entladungsgefäß angebrachten Hochfrequenzelektroden jeweils als Platten, Balken, Folien oder dünne Metallbeschichtungen ausgebildet sind, die in sich eine ebene Struktur aufweisen.For all previously published gas lasers with transverse high-frequency excitation it applies that the high-frequency electrodes attached to the outside of the discharge vessel each are designed as plates, bars, foils or thin metal coatings that have a planar structure in themselves.

Aufgrund dieser ebenen Elektrodenstruktur ist die Anregung des Lasergases unidirektional und geschieht nur in derjenigen Feldrichtung, die durch die Position der Hochfrequenzelektroden festgelegt wird. Eventuell auftretende Inhomogenitäten des unidirektionalen Hochfrequenzfeldes stören die gleichmäßige Anregung des Lasergases und mindern die Homogenität des Gasentladungsquerschnittes. Die Folge sind eine ineffiziente Leistungseinkopplung sowie insbesondere eine mangelhafte Strahlqualität.The excitation of the laser gas is due to this flat electrode structure unidirectional and only happens in the direction of the field that is determined by the position of the high frequency electrodes is set. Any inhomogeneities that may occur of the unidirectional high-frequency field disturb the uniform excitation of the laser gas and reduce the homogeneity of the gas discharge cross-section. The consequences are one inefficient power coupling and, in particular, poor beam quality.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die eingangs angegebenen Elektrodenanordnungen so weiterzub lden, daß die ausgeprägte Vorzugsrichtung des anregenden Feldes aufgehoben und durch eine multidirektionale Anregung des Lasergases ersetzt wird.The invention is based on the object specified at the outset Electrode arrangements so weiterzub lden that the pronounced preferred direction of the stimulating field and by a multidirectional excitation of the laser gas is replaced.

Diese Aufgabe wird nach der vorliegenden Erfindung dadurch gelöst, daß die vorzugsweise außen am Entladungsgefäß angebrachten Hochfrequenzelektroden in Form einer bifilaren Helix ausgebildet werden.According to the present invention, this object is achieved by that the high-frequency electrodes, which are preferably attached to the outside of the discharge vessel be designed in the form of a bifilar helix.

In diesem Zusammenhang ist zu erwähnen, daß die in der Zeitschrift ZIELE J. Quantum Electron.", QE-19, 1115 (1983), beschriebene Anordnung lediglich Hochfrequenzelektroden in Gestalt einer monofilaren Helix, d.h. in Form einer in sich geschlossenen Induktionsspule, aufweist und somit keine erfindungsgemäße Elektrodenanordnung darstellt.In this context it should be mentioned that in the magazine OBJECTIVES J. Quantum Electron. ", QE-19, 1115 (1983), only High-frequency electrodes in the form of a monofilar helix, i.e. in the form of an in closed induction coil, and thus no electrode arrangement according to the invention represents.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung ist im Unteranspruch 2 beschrieben und betrifft die Segmentierung der bifilaren, helischen Elektrodenanordnung für den Fall, daß die Eigeninduktivität der durchgehenden bifilaren Helix die anwendbaren Anregungsfrequenzen begrenzen sollte.An advantageous further development of the invention is in the dependent claim 2 and relates to the segmentation of the bifilar, helical electrode arrangement in the event that the self-inductance of the continuous bifilar helix is the applicable Should limit excitation frequencies.

Der mit der Erfindung erzielbare Vorteil besteht vor allem darin, daß die bifilare, helische Struktur der Hochfrequenzelektroden eine gleichmäßige und zugleich hochgradig rotationssymmetrische Anregung des gasförmigen Lasermediums gewährleistet. Störungen einer gleichmäßigen Anregung durch eventuell auftretende Inhomogenitäten des anregenden Hochfrequenz feldes werden durch die mehrfache Verwendelung der Feldrichtung ausgemittelt. Darüber hinaus bewirkt die bifilare, helische Struktur der Hochfrequenzelektroden aufgrund der genannten Verwendelung der Feldrichtung ein Gauß-förmiges Verstärkungsprofil des laseraktiven Volumens. Dadurch wird im Zusammenhang mit stabilen optischen Resonatoren die Erzeugung des transversalen Grundmodes TEMOO begünstigt und damit die Strahlqualität von Gaslasern mit transversaler Hochfrequenzanregung entscheidend verbessert.The advantage that can be achieved with the invention is, above all, that the bifilar, helical structure of the high-frequency electrodes has a uniform and at the same time highly rotationally symmetrical excitation of the gaseous laser medium guaranteed. Disturbances of a uniform excitation by possibly occurring Inhomogeneities of the stimulating high-frequency field are caused by the multiple use the field direction averaged. In addition, causes the bifilar, helical structure of the high-frequency electrodes due to the mentioned use of the field direction a Gaussian-shaped reinforcement profile of the laser-active volume. This will result in the In connection with stable optical resonators the generation of the transversal Basic modes TEMOO favors and thus the beam quality of gas lasers with transversal High frequency excitation significantly improved.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der Figuren noch näher erläutert. Es zeigen in vereinfachter, schematischer Darstellung Fig. 1 einen Gaslaser mit transversaler Hochfrequenzanregung, der mit der erfindungsgemäßen Elektrodenanordnung ausgestattet ist, Fig. 2 ein Entladungsgefäß mit bifilarer, helischer Elektrodenanordnung, bei der eine der beiden Hochfrequenzelektroden segmentiert ist.The invention is explained in more detail below with reference to the figures. In a simplified, schematic representation, FIG. 1 shows a gas laser with transverse high-frequency excitation with the electrode arrangement according to the invention 2 shows a discharge vessel with a bifilar, helical electrode arrangement, in which one of the two high-frequency electrodes is segmented.

In Fig. 1 ist ein Gas laser mit transversaler Hochfrequenzanregung dargestellt, der mit der erfindungsgemäßen Elektrodenanordnung ausgestattet ist. Der Gas laser besteht aus einem Entladungsgefäß G, einer Hochfrequenzquelle S für Anregungsfrequenzen zwischen 30 kHz und 300 GHz sowie aus einer Impedanz-Anpassungsschaltung A, wie sie aus der Hochfrequenz technik allgemein bekannt ist. Im Innern des Entladungsgefäßes, das mit Fenstern F abgeschlossen und zwischen zwei Resonatorspiegeln M1 und M2 angeordnet ist, befindet sich eine Gasfüllung, die das anzuregende Lasergas enthält. Diese Gasfüllung kann entweder hermetisch abgeschlossen sein oder aber im Durchfluß stetig ausgetauscht oder regeneriert werden. Außen an dem vorzugsweise zylindrischen Entladungsgefäß sind zwei Hochfrequenzelektroden E1 und E2 angebracht, die als bifilare Helix ausgebildet sind. Beide Elektroden erstrecken sich schraubenlinienartig entlang des Entladungsgefäßes, wobei dle eine Elektrode (z.B. E2) aus der anderen (z.B. E1) durch Drehung um einen Winkel von 18C° hervorgeht. Die helischen Elektroden können als metallische Drähte, Streifen oder Folien ausgebildet sein oder aber, z.B. bei Entladungsgefäßen aus Keramik, in Form metallisierter Beschichtungen vorliegen. Die Hochfrequenzleistung wird vorzugsweise zentral eingespeist. Neben der genannten Anpassungsschaltung A kann eine zusätzliche Impedanzanpassung an den Enden der bifilaren Helix sowie eine gestaffelte Phasenanpassung im Zwischenbereich notwendig werden, wenn die Elektrodenstruktur eine gewisse kritische Länge überschreitet.In Fig. 1 is a gas laser with transverse high frequency excitation shown, which is equipped with the electrode arrangement according to the invention. The gas laser consists of a discharge vessel G, a high-frequency source S for Excitation frequencies between 30 kHz and 300 GHz as well as from an impedance matching circuit A, as it is generally known from high frequency technology. Inside the discharge vessel, that closed with windows F and arranged between two resonator mirrors M1 and M2 is, there is a gas filling that contains the laser gas to be excited. These Gas filling can either be hermetically sealed or the flow can be continuous exchanged or regenerated. Outside on the preferably cylindrical discharge vessel two high-frequency electrodes E1 and E2 are attached, which are designed as a bifilar helix are. Both electrodes extend helically along the discharge vessel, where dle one electrode (e.g. E2) out of the other (e.g. E1) by rotating it around one Angle of 18C °. The helical electrodes can be used as metallic wires, Strips or foils can be formed or else, e.g. in the case of discharge vessels Ceramic, in the form of metallized coatings. The high frequency power is preferably fed in centrally. Next to of said matching circuit A can have additional impedance matching at the ends of the bifilar helix as well a staggered phase adjustment in the intermediate area will be necessary if the electrode structure exceeds a certain critical length.

Für den Fall, daß die Eigeninduktivität der durchgehenden bifilaren Helix die anwendbaren Anregungsfrequenzen begrenzen sollte, ist es vorteilhaft, zumindest eine der beiden helischen Hochfrequenzelektroden zu segmentieren, d.h. in Elektrodenteilbereiche zu unterteilen. Fig. 2 zeigt ein Entladungsgefäß mit bifilarer, helischer Elektrodenanordnung, bei der eine der beiden Hochfrequenzelektroden (z.B.In the event that the self-inductance of the continuous bifilar Helix should limit the applicable excitation frequencies, it is advantageous to segment at least one of the two helical RF electrodes, i.e. to be subdivided into electrode areas. Fig. 2 shows a discharge vessel with a bifilar, Helical electrode arrangement in which one of the two high-frequency electrodes (e.g.

E2) in n gleichberechtigte Elektrodenteilbereiche E2i unterteilt ist. Bei Bedarf muß eine entsprechend gestaffelte Phasenanpassung sowie eine individuelle Impedanzanpassung jedes einzelnen Elektrodenteilbereiches vorgenommen werden, um die Hochfrequenzleistung gleichmäßig auf die n Elektrodenteilbereiche zu verteilen.E2) is subdivided into n equal electrode subareas E2i. If necessary, a staggered phase adjustment as well as an individual Impedance matching of each individual electrode sub-area can be made to to distribute the high-frequency power evenly over the n electrode sub-areas.

Darüber hinaus sind auch bifilare, helische Elektrodenanordnungen zur transversalen Hochfrequenzanregung denkbar, bei denen beide helische Hochfrequenzelektroden segmentiert sind.In addition, there are also bifilar, helical electrode arrangements for transverse high-frequency excitation conceivable in which both helical high-frequency electrodes are segmented.

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Claims

Claims 1. Electrode assembly for gas laser with transverse High-frequency excitation, that is to say, the high-frequency electrodes (E1, E2) are designed as a bifilar helix.

2. Electrode arrangement according to claim 1, characterized in that at least one of the two helical high-frequency electrodes in partial electrode areas is divided.